第五章压电传感器范例.pptx

第五章 压电式传感器 压电式传感器：当外力作用于某些晶体时，发生压电效应，在晶体表面产生电荷，通过检测发电电荷量的大小测出作用力的大小。 可制成力、压力、加速度等传感器。 体积小、轻便、频带宽、灵敏度高。 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 2 主要内容 5.1压电效应及压电材料 5.2压电式传感器测量电路 5.3压电式传感器的应用 第一节 压电效应及压电材料 压电效应：某些晶体在一定方向上受到外力作用时，内部产生极化现象，相应在晶体的两个表面上产生符号相反的电荷。当外力除去时，电荷消失；当外力反向时，电荷极性也反向。被称为压电效应。 一、压电效应 4 压电效应可逆性 5 二、压电效应原理 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴。 z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 6 石英晶体及切片 7 石英晶体的压电效应机理 1—正电荷等效中心 2—负电荷等效中心 8 说 明 （1）在无外力作用时 （2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形 （3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形 （4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。 石英晶体的压电效应 石英：二氧化硅单晶， 六角棱柱体， X、Y、Z三个晶轴。 晶体切块 1、X向应力--纵向压电效应 电荷计算： 2、Y向应力—横向压电效应 压力 拉力 压力 拉力 分别为两个方向的压电系数。 且： 关于压电效应的 解释： 硅离子 硅离子 硅离子 氧离子 氧离子 氧离子 石英晶体 在X-Y平面 离子分布 X方向受力 Y方向受力 Z方向受力 将不产生压电效应！ 5.1.2 压电材料 一、压电材料的主要特性参数 要求：1）压电常数大； 2）机械强度高； 3）电阻率大，介电常数大； 4）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高； 5）时间稳定性好。 （1）压电常数 （2）弹性常数 （3）介电常数 （4）机械耦合系数 （5）绝缘电阻 （6）居里点 （一）石英晶体 （二）水溶性压电晶体 （三）铌酸锂晶体 （四）压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐、铌镁酸铅） （五）压电半导体 （六）高分子压电材料 二、常用压电材料 14 石英晶体 天然形成的石英晶体外形 15 压电陶瓷外形 16 高分子压电薄膜及拉制 5.2 压电传感器的测量电路 一、压电式传感器的等效电路 压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路；也可以等效为电压源和电容器的串联电路。 其中电容器为： 压电元件极板面积 元件厚度 相对介电常数 二、压电式传感器的测量电路 由： 得： 电缆长度会影响灵敏度！ （一）电压放大器 （二）电荷放大器 忽略三个电阻的影响，输入到运放的电荷： 又 及 （1） 将 、 代入（1）式，得： 灵敏度： 5.3 压电式传感器的应用 （一）压电式力传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式加速度传感器 基座 基座 压电片 质量块 m 压簧 壳体